KR101719909B1 - 성막 장치, 서셉터, 및 성막 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 양태에 따른 성막 장치는, 기판 상에 성막을 행하는 성막실과, 기판이 배치되는 서셉터 유닛과, 서셉터 유닛을 회전시키는 회전부와, 기판을 가열하는 히터와, 성막실에 프로세스 가스를 공급하는 가스 공급부를 구비하고, 서셉터 유닛은, 기판을 유지하는 서셉터와, 서셉터의 적어도 상부에 설치되고, 서셉터와 상이한 재료이며, 적어도 표면이 SiC로 구성되는 커버 부재와, 서셉터와 커버 부재 사이에 설치되고, 커버 부재와 표면이 상이한 재료이며 또한 프로세스 온도에서 승화하지 않는 재료로 구성되는 링 형상의 플레이트를 갖는다.

Description

성막 장치, 서셉터, 및 성막 방법{FILM FORMING APPARATUS, SUSCEPTOR AND FILM FORMING METHOD}
본 발명의 실시형태는 성막 장치, 서셉터, 및 성막 방법에 관한 것이다.
종래부터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor: 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터) 등의 파워 디바이스와 같이, 비교적 막 두께가 큰 결정막을 필요로 하는 반도체 소자의 제조 공정에서는, 웨이퍼 등의 기판에 단결정 박막을 기상 성장시켜 성막(成膜)하는 에피택셜 성장 기술이 이용된다.
에피택셜 성장 기술에 사용되는 성막 장치에서는, 상압 또는 감압으로 유지된 성막실의 내부에, 예컨대, 웨이퍼를 배치한다. 그리고, 이 웨이퍼를 가열하면서 성막실 내에, 성막을 위한 원료가 되는 가스(이하, 간단히 원료 가스라고도 말한다.)를 공급한다. 그러면, 웨이퍼의 표면에서 원료 가스의 열분해 반응 및 수소 환원 반응이 일어나, 웨이퍼 상에 에피택셜막이 성막된다.
막 두께가 큰 에피택셜 웨이퍼를 높은 수율로 제조하기 위해서는, 균일하게 가열된 웨이퍼의 표면에 새로운 원료 가스를 차례로 접촉시켜, 기상 성장의 속도를 향상시킬 필요가 있다. 그래서, 웨이퍼를 회전시키면서 에피택셜 성장시키는 것이 행해지고 있다.
종래의 SiC 에피택셜 장치에서는, 웨이퍼 상뿐만이 아니라, 웨이퍼를 유지하는 서셉터의 표면에도 SiC막이 퇴적되고 있었다. 그래서, 서셉터 상에 커버를 얹어 서셉터를 보호하는 구조가 이용되었다.
서셉터에 SiC를 이용하면, 1400℃ 이상의 고온하에서는, 서셉터 상에 웨이퍼가 실린 개소에서는 웨이퍼와의 온도차에 의해 서셉터의 SiC가 승화하여, 웨이퍼 이면에 부착되는 등의 문제가 발생한다. 그래서, 서셉터에 SiC 이외의 재료를 이용하면, 서셉터 상에 퇴적된 SiC가 벗겨지기 쉬워져 파티클원이 된다.
그 때문에, 전술한 바와 같이, 서셉터 상에 SiC재의 커버를 설치하면, 이번에는 커버의 SiC가 승화하여 서셉터에 부착되어 버린다.
본 발명은 서셉터에의 SiC의 부착을 억제하는 것이 가능한 성막 장치, 서셉터 유닛, 및 성막 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태에 따른 성막 장치는, 기판 상에 성막을 행하는 성막실과, SiC 기판이 배치되는 서셉터 유닛와, 서셉터를 회전시키는 회전부와, 기판을 가열하는 히터와, 성막실에 프로세스 가스를 공급하는 가스 공급부를 구비한다. 서셉터 유닛은, 상기 기판을 유지하는 서셉터와, 상기 서셉터의 적어도 상부에 설치되고, 서셉터와 상이한 재료로 구성되며 적어도 표면이 SiC인 커버 부재와, 서셉터와 커버 부재 사이에 설치되고, 커버 부재와 표면이 상이한 재료이며 또한 프로세스 온도에서 승화하지 않는 재료로 구성되는 링 형상의 플레이트를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양태에 따른 서셉터 유닛은, 기판 상에 성막을 행하는 성막실에 설치되고, 기판이 배치되면, 기판을 유지하는 서셉터와, 상기 서셉터의 상부 및 외주부에 설치되고, 서셉터와 상이한 재료로 구성되며, 적어도 표면이 SiC인 커버 부재와, 상기 서셉터와 상기 커버 부재 사이에 설치되고, 커버 부재와 표면이 상이한 재료이며 또한 프로세스 온도에서 승화하지 않는 재료로 구성되는 링 형상의 플레이트를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양태에 따른 성막 방법은, SiC 기판을 성막실 내에 반입하고, 서셉터 상에, 서셉터와 상이한 재료이며, 적어도 표면이 SiC로 구성되는 커버 부재가 배치되고, 커버 부재와 상이한 재료이며 또한 프로세스 온도에서 승화하지 않는 재료로 형성되는 링 형상의 플레이트가 상기 서셉터와 커버 부재 사이에 배치된 서셉터 유닛에 SiC 기판을 배치하며, 상기 성막실 내에, SiC 소스 가스를 포함하는 프로세스 가스를 공급하여, 상기 SiC 기판 상에의 성막을 행하고, 상기 SiC 기판 상에의 성막 후, SiC 기판 및 서셉터 유닛의 적어도 일부를 상기 성막실 밖으로 반출하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 성막 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 서셉터의 개략 구성도이다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 성막 장치의 개략 구성도이다. 성막 처리의 대상인 시료로서, SiC로 이루어지는 기판(101)이 이용된다. 도 1에서는, 서셉터(170)에 기판(101)을 배치한 상태를 도시하고 있다. 그리고, 서셉터(170) 상에 배치된 기판(101) 상에, SiC 에피택셜막을 형성하기 위한 원료가 되는 복수 종류의 가스(프로세스 가스)를 공급하여, 기판(101) 상에서 기상 성장 반응시켜 성막을 행한다.
성막 장치(100)는, 기판(101) 상에서 기상 성장을 시켜 SiC 에피택셜막의 성막을 행하는 성막실로서, 챔버(103)를 갖는다. 챔버(103)의 내부에 있어서, 서셉터 유닛(170)이, 회전부(104)의 상방에 설치되어 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 서셉터 유닛(170)은, 개구부를 가지고 구성된 링 모양의 형상을 갖는 외주 서셉터(171)와, 외주 서셉터(171)의 내측에 개구부를 막도록 설치된 내부 서셉터(172)와, 외주 서셉터(171)의 내주를 따라 내부 서셉터(172) 상에 설치되고, 기판을 유지하는 유지부(173)로 구성되는 서셉터와, 외주 서셉터(171)와 유지부(173)의 일부 상에 설치된 링 형상의 플레이트(174)와, 플레이트(174) 상에 설치되고, 플레이트(174)의 상면, 외주면, 및 외주 서셉터(171)의 외주면을 덮으며, 표면의 적어도 일부가 SiC로 구성되는 커버 부재(175)를 구비한다. 즉, 서셉터와 커버 부재 사이에 플레이트가 설치되는 구조로 되어 있다. 여기서, 플레이트(174)는 복수 매여도 좋다.
유지부(173)의 내주측에는 스폿 페이싱이 형성되고, 이 스폿 페이싱 내에 기판(101)의 외주부를 받아들여 지지하는 구조를 갖는다.
유지부(173), 플레이트(174), 및 커버 부재(175)는, 외주 서셉터(171) 및 내부 서셉터(172)로부터 착탈 가능하게 되어 있다.
외주 서셉터(171), 내부 서셉터(172), 및 유지부(173)는, TaC, 또는 표면에 TaC를 피복한 카본 등, 적어도 표면이 SiC 이외의 재료를 이용하여 구성된다. 플레이트(174)는, 1400∼1700℃의 프로세스 온도에서 승화하지 않는 재료이며, 예컨대 그래파이트재, 카본 섬유 소재, TaC 등 적어도 표면이 SiC 이외의 재료를 이용하여 구성된다. 또한, 커버 부재(175)는 적어도 표면이 SiC로 형성되어 있는 재료이며, 예컨대 SiC, 또는 표면에 SiC를 피복한 카본을 이용하여 구성된다.
한편, 서셉터(170)의 구조는, 도 2에 도시한 것에 한정되지 않는다. 예컨대, 내부 서셉터(172)를 생략한 구성으로 해도 좋다.
도 1에 도시한 바와 같이, 회전부(104)는, 원통부(104a)와 회전축(104b)을 갖고 있다.
회전부(104)에서는, 원통부(104a)의 상부로 서셉터(170)를 지지하고 있다. 그리고, 회전축(104b)이 도시하지 않은 모터에 의해 회전함으로써, 원통부(104a)를 통해 서셉터(170)가 회전한다. 이렇게 해서, 서셉터(170) 위에 기판(101)이 배치된 경우, 그 기판(101)을 회전시킬 수 있다.
도 1에 있어서, 원통부(104a)는, 상부가 개구되는 구조를 가지며, 상부가 개방된 구조이다. 원통부(104a) 내에는, 히터(주히터)(120)가 설치되어 있다. 히터(120)에는 저항 가열 히터를 이용하는 것이 가능하며, 예컨대 소정의 저항값을 갖는 카본(C)재로 구성된다. 히터(120)는, 회전축(104b) 내에 설치된 대략 원통 형상의 석영제의 샤프트(108)의 내부를 통과하는 배선(도시하지 않음)에 의해 급전되어, 기판(101)을 그 이면으로부터 가열한다.
또한, 원통부(104a) 내에는, 히터(120)에 의한 가열을 효율적으로 행하기 위해서, 히터(120)의 하방에 리플렉터(110)가 설치되어 있다. 리플렉터(110)는, 카본, SiC, 또는 SiC를 피복한 카본 등의 내열성이 높은 재료를 이용하여 구성된다. 또한, 리플렉터(110)의 하방에는 단열재(111)가 설치되어 있어, 히터(120)로부터의 열이 샤프트(108) 등에 전해지는 것을 방지할 수 있으며, 가열시의 히터 전력을 억제할 수도 있다.
샤프트(108)의 내부에는, 기판 승강 수단으로서 승강핀(도시하지 않음)이 배치되어 있다. 승강핀의 하단은, 샤프트(108)의 하부에 설치된 도시되지 않은 승강 장치까지 연장되어 있다. 그리고, 그 승강 장치를 동작시켜 승강핀을 상승 또는 하강시킬 수 있다. 이 승강핀은, 기판(101)을 유지하는 유지부(173)를, 플레이트(174) 및 커버 부재(175)와 함께, 챔버(103) 내에 반입할 때, 및 챔버(103) 밖으로 반출할 때에 사용된다. 승강핀은 유지부(173)를 하방으로부터 지지해서, 들어올려 외주 서셉터(171) 및 내부 서셉터(172)로부터 분리시킨다. 그리고, 반송용 로봇(도시되지 않음)과의 사이에서, 기판(101)을 유지하는 유지부(173), 플레이트(174), 및 커버 부재(175)의 전달이 가능하도록, 승강핀은, 유지부(173)를 회전부(104) 상의 외주 서셉터(171) 및 내부 서셉터(172)로부터 떨어진 상방의 소정의 위치에 배치하도록 동작한다.
챔버(103)의 하부에는, 가스를 배기하기 위한 가스 배기부(125)가 형성되어 있다. 가스 배기부(125)는, 조정 밸브(126) 및 진공 펌프(127)를 포함하는 배기 기구(128)에 접속되어 있다. 배기 기구(128)는, 도시하지 않은 제어 기구에 의해 제어되어 챔버(103) 내를 소정의 압력으로 조정한다.
또한, 챔버(103) 내에는, 성막 처리가 행해지는 성막 영역과, 챔버(103)의 측벽(내벽)(103a)을 구획하는 원통형의 라이너(130)가 설치되어 있다. 라이너(130)는, 카본 또는 SiC를 피복한 카본 등의 내열성이 높은 재료를 이용하여 구성된다.
라이너(130)와 측벽(103a) 사이에는, 기판(101)을 상방으로부터 가열하는 보조 히터(131)가 설치되어 있다. 보조 히터(131)는 예컨대 저항 가열형의 히터이다. 또한, 보조 히터(131)와 측벽(103a) 사이에는 단열재(132)가 설치되어 있어, 보조 히터(131)로부터의 열이 챔버(103)에 전해지는 것을 방지한다. 이에 의해, 가열시의 히터 전력을 억제할 수 있다.
성막 장치(100)의 챔버(103)의 상부에는, 열효율을 올리기 위해서, 히터(120)나 보조 히터(131)로부터의 복사(輻射)를 반사하는 리플렉터 유닛(RU1, RU2)이 설치되어 있다. 리플렉터 유닛(RU2)은 리플렉터 유닛(RU1)의 하방에 설치되어 있다.
리플렉터 유닛(RU1, RU2)은, 카본, SiC, 또는 SiC를 피복한 카본을 이용한 박판에 의해 구성되어 있다. 리플렉터 유닛(RU1, RU2)은 1장의 박판으로 구성해도 좋고, 복수 매의 박판을 적층해도 좋다.
도 1에 도시한 바와 같이, 성막 장치(100)의 챔버(103)의 상부에는, 가스 공급부(160)가 형성되어 있다. 가스 공급부(160)는, 가스 유로(가스 파이프)(161∼163)를 통해, 성막 영역에 퍼지 가스, SiC 소스 가스, 도핑 가스 등의 프로세스 가스를 공급한다. 예컨대, 가스 유로(161)를 통해 성막 영역(103b)에 퍼지 가스로서의 아르곤 가스 또는 수소 가스가 공급된다. 또한, 가스 유로(162, 163)를 통해, 성막 영역(103b)에 SiC 소스 가스로서 실란 가스나 프로판 가스가 공급된다. 또한, 도시하지 않은 가스 유로를 통해, 도핑 가스로서 질소 가스가 공급된다. 도 1에서는, 각 가스에 대해 1개의 가스 유로가 형성되어 있으나, 복수의 가스 유로를 형성해도 좋다.
한편, 챔버(103)의 상부에 방사 온도계를 설치하여, 기판(101)의 온도를 측정할 수 있도록 해도 좋다. 이 경우, 챔버(103)의 일부에 석영 유리창을 설치하여, 석영 유리창을 통해 방사 온도계로 기판(101)의 온도를 측정한다.
다음으로, 본 실시형태에 따른 성막 방법에 대해 설명한다.
먼저, 챔버(103) 내에, 기판(101)과 이것을 유지하는 유지부(173), 플레이트(174), 및 커버 부재(175)를 반입하여, 외주 서셉터(171) 및 내부 서셉터(172) 상에 배치한다. 이때, 커버 부재(175)는, 외주 서셉터(171)의 외주면을 덮는다.
다음으로, 히터(120) 및 보조 히터(131)를 이용하여 기판(101)을 150℃/분 정도의 레이트로, 1500℃ 이상이 될 때까지 가열한다. 그리고, 회전부(104)에 의해 기판(101)을 회전시키면서, 가스 공급부(160)로부터 SiC 소스 가스 및 도핑 가스를 공급한다. 이에 의해, 기판(101) 상에 SiC 에피택셜막이 형성된다. 이때, 기판(101) 상뿐만이 아니라, 커버 부재(175)의 표면에도 SiC막이 형성된다. 그러나, 외주 서셉터(171)의 외주면은 커버 부재(175)에 덮여져 있기 때문에, 외주 서셉터(171)의 외주면에의 SiC의 부착을 방지할 수 있다.
또한, 외주 서셉터(171) 및 유지부(173)의 상면과 커버 부재(175) 사이에는 플레이트(174)가 설치되어 있다. 그 때문에, 커버 부재(175)에 형성된 SiC가 승화하여 외주 서셉터(171), 유지부(173)에 SiC가 부착되는 것을 방지할 수 있다.
외주 서셉터(171)에 SiC가 부착된 경우, 열팽창률의 차이에 의해 외주 서셉터(171)는 변형할 수 있다. 그러나, 본 실시형태에서는, 커버 부재(175) 및 플레이트(174)에 의해 외주 서셉터(171)에의 SiC의 부착이 방지되어, 외주 서셉터(171)가 변형하는 것을 방지할 수 있다. 그 때문에, 기판(101)을 고속 회전시킬 수 있어, 기판(101) 상에 균일한 SiC 에피택셜막을 형성할 수 있다.
또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 기판(101)과 커버 부재(175) 사이에는, TaC, 또는 표면에 TaC를 피복한 카본을 이용하여 구성되는 유지부(173)가 개재되어 있다. 즉, 커버 부재(175)는, 유지부(173)를 통해, 유지부(173)의 기판 유지 영역으로부터 이격되어 설치되어 있다. 그 때문에, 커버 부재(175)에 형성된 SiC가 승화하여 기판(101)에 부착되는 것을 방지할 수 있어, 기판(101) 상에 균일한 SiC 에피택셜막을 형성할 수 있다.
다음으로, 기판(101) 상에 SiC 에피택셜막을 형성한 후, 챔버(103) 내를 강온하고, 퍼지 가스를 공급한다. 그리고, 유지부(173), 플레이트(174), 및 커버 부재(175)와 함께 기판(101)을 챔버(103)로부터 반출한다.
이때, 챔버(103)로부터 반출된 기판(101)을, 유지부(173), 플레이트(174), 및 커버 부재(175)와 함께, 챔버(103)의 외부에 설치된 교환실에 반송하여, 상기 기판(101)을 분리해도 좋다.
커버 부재(175)는, SiC, 또는 표면에 SiC를 피복한 카본을 이용하여 구성되어 있기 때문에, 다른 재료로 구성되어 있는 경우와 비교하여, 표면에 형성되어 있는 SiC막이 벗겨지기 어려워, 챔버(103)로부터의 반출시에 SiC막이 벗겨져 파티클원이 되는 것을 방지할 수 있다.
챔버(103)의 외부에 있어서, 유지부(173)로부터 기판(101)이 분리된다. 커버 부재(175)나 플레이트(174)에의 SiC의 부착량이 많은 경우에는, 신품의(또는 세정한) 커버 부재(175), 플레이트(174)로 교환한다. 커버 부재(175)나 플레이트(174)의 교환을 챔버(103)의 외부에서 행함으로써, 부착된 SiC막이 벗겨졌다고 해도 용이하게 대처할 수 있어, 챔버(103) 내에서의 파티클원이 되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 유지부(173)에 새로운 기판(101)을 장착하여, 유지부(173), 플레이트(174), 및 커버 부재(175)와 함께 기판(101)을 챔버(103) 내에 반입한다.
이와 같이, 본 실시형태에 따르면, 커버 부재(175)를 설치함으로써 서셉터[외주 서셉터(171)]에 SiC가 부착되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 커버 부재(175)와 외주 서셉터(171) 사이에 플레이트(174)를 설치함으로써, 커버 부재(175)로부터 승화한 SiC가 외주 서셉터(171)에 부착되는 것을 방지할 수 있다. 그 때문에, 열팽창률의 차이로부터 발생하는 서셉터의 변형을 방지하고, 기판을 고속 회전시켜, 기판 상에 균일한 SiC막을 형성할 수 있다.
또한, 플레이트(174) 및 커버 부재(175)를 기판(101)과 함께 챔버(103)로부터 반출하여, 챔버(103)의 외부에서 플레이트(174) 및 커버 부재(175)를 교환함으로써, 벗겨진 SiC가 파티클원이 되는 것을 방지할 수 있다.
SiC 에피택셜 성장에서는, 질소가 도펀트 가스가 되기 때문에, 상기 실시형태에서의 플레이트(174)의 질소 불순물 농도는 낮은 것이 바람직하며, 예컨대, 1E18 atoms/㎤ 이하로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 몇 가지 실시형태를 설명하였으나, 이들 실시형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하지 않는다. 이들 신규의 실시형태는, 그 외의 여러 가지 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 여러 가지의 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함되고, 특허청구의 범위에 기재된 발명과 그 균등의 범위에 포함된다.

Claims (9)

  1. 성막 장치에 있어서,
    기판 상에 성막(成膜)을 행하는 성막실과,
    상기 기판이 배치되는 서셉터와,
    상기 서셉터를 회전시키는 회전부와,
    상기 기판을 가열하는 히터와,
    상기 성막실에 프로세스 가스를 공급하는 가스 공급부
    를 포함하며,
    상기 서셉터는,
    상기 회전부에 의해 지지되어 있는 링 형상의 외주 서셉터와,
    상기 외주 서셉터의 내주부에 설치되고, 상기 기판을 유지하는 유지부와,
    상기 외주 서셉터 상에 설치된 링 형상의 플레이트와,
    상기 플레이트의 상면 및 외주면과 상기 외주 서셉터의 외주면을 덮는 커버 부재
    를 포함하고,
    상기 링 형상의 플레이트는 상기 커버 부재와 상기 외주 서셉터 사이에 설치되는 것인 성막 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유지부, 상기 플레이트, 및 상기 커버 부재는 상기 외주 서셉터로부터 착탈 가능하게 설치되는 것인 성막 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 커버 부재는, 상기 유지부를 통해, 상기 유지부의 기판 유지 영역으로부터 이격되어 설치되는 것인 성막 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 외주 서셉터 및 상기 유지부는, TaC, 또는 TaC를 피복한 카본으로 이루어지는 것인 성막 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 커버 부재는, SiC, SiC를 피복한 카본, 또는 TaC를 피복한 카본으로 이루어지는 것인 성막 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트는, 그래파이트재 또는 카본 섬유 소재로 이루어지는 것인 성막 장치.
  7. 기판 상에 성막을 행하는 성막실에 설치되고, 상기 기판이 배치되는 서셉터에 있어서,
    링 형상의 외주 서셉터와,
    상기 외주 서셉터의 내주부에 설치되고, 상기 기판을 유지하는 유지부와,
    상기 외주 서셉터 상에 설치된 링 형상의 플레이트와,
    상기 플레이트의 상면 및 외주면과 상기 외주 서셉터의 외주면을 덮는 커버 부재
    를 포함하고,
    상기 링 형상의 플레이트는 상기 커버 부재와 상기 외주 서셉터 사이에 설치되는 것인 서셉터.
  8. 성막 방법에 있어서,
    SiC 기판을 성막실 내에 반입하고,
    링 형상의 외주 서셉터와, 상기 외주 서셉터의 내주부에 설치되고, 상기 기판을 유지하는 유지부와, 상기 외주 서셉터 상에 설치된 링 형상의 플레이트와, 상기 플레이트의 상면 및 외주면과 상기 외주 서셉터의 외주면을 덮는 커버 부재를 구비하고, 상기 링 형상의 플레이트는 상기 커버 부재와 상기 외주 서셉터 사이에 설치되는 것인, 서셉터 상에 배치된 상기 SiC 기판 상에 SiC 소스 가스를 포함하는 프로세스 가스를 공급하여 성막을 행하고,
    상기 SiC 기판 상에의 성막 후, 상기 SiC 기판을 유지하는 상기 유지부, 상기 플레이트, 및 커버 부재를 상기 성막실 밖으로 반출하는 성막 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 성막실 밖에서, 상기 플레이트 및 상기 커버 부재를 교환하는 것인 성막 방법.
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